陶瓷基板 (Ceramic PCB, Ceramic Substrate)
作者:江志宏
說明
陶瓷基板為電路板的一種，與傳統FR-4或鋁基板不同的是，其具有與半導體接近的熱膨脹係數及高耐熱能力，適用於具備高發熱量的產品(高亮度LED、太陽能)，其優異的耐候特性更可適用於較惡劣之戶外環境。
主要應用產品：高功率LED載板、LED車燈、LED路燈、太陽能inverter
陶瓷基板特色：
結構：優秀機械強度、低曲翹度、熱膨脹係數接近矽晶圓(氮化鋁)、高硬度、加工性好、尺寸精度高
氣候：適用高溫高濕環境、熱導率高、耐熱性佳、耐腐蝕與磨耗、抗UV&黃化
化學：無鉛、無毒、化學穩定性好
電性：高絕緣電阻、容易金屬化、電路圖形與之附著力強
市場：材料豐富(陶土、鋁) 、製造容易、價格低
PCB材料熱特性比較(傳導率)：
玻璃纖維基板(傳統PCB)：0.5W/mK、鋁基板：1~2.2W/mK、陶瓷基板：24[氧化鋁]~170[氮化鋁]W/mK
材料熱傳導係數(單位W/mK)：
樹酯：0.5、氧化鋁：20-40、碳化矽：160、鋁：170、氮化鋁：220、銅：380、鑽石：600
陶瓷基板製程分類：
依線路陶瓷基板製程分為：薄膜、厚膜、低溫共燒多層陶瓷(LTCC)
薄膜製程(DPC)：精確控制元件線路設計(線寬與膜厚)
厚膜製程(Thick film)：提供散熱途徑與耐候條件
低溫共燒多層陶瓷(HTCC)：利用玻璃陶瓷具低燒結溫度，可和低熔點、高導電性貴重金屬共燒的特性，實現多層陶瓷基板)和構裝。
低溫共燒多層陶瓷(LTCC)：堆疊數個陶瓷基板並嵌入被動元件以及其他IC
薄膜陶瓷基板製程：
‧前處理→濺鍍→光阻披覆→曝光顯影→線路電鍍→去膜
‧疊片→熱壓→脫脂→基片燒成→形成電路圖形→電路燒成
‧疊片→表面印刷電路圖形→熱壓→脫脂→共燒
‧印刷電路圖形→疊層→熱壓→脫脂→共燒
陶瓷基板厚膜與薄膜線路差異：
薄膜與厚膜製程產品之差異分析：
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薄膜製程
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厚膜製程
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線路精準度
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精準度較高問差低於±1%
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以印刷方式成形誤差值較高±10%
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鍍層材料
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材料穩定度較高
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易受漿料均勻性影響
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鍍層表面
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表面平整度高
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平整度低誤差值約1～3um
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設備維護
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維護較不易，費用較高
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生產設備維護較為簡易
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鍍層附著性
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無須高溫燒結，不會有氧化物生成，附著性佳
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附著性受基板材料影響AIN基板尤差
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線路位置
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使用曝光顯影，相對位置精準度高
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受網版張力及印刷次數影響，相對位置精準度低
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表面電鍍材料分為：氧化鋁(Al203)、氮化鋁(AIN)、氧化镀(BeO)
氮化鋁與氧化鋁特性比較：
氧化鋁：材料取得容易、成本較低、製程較簡單、熱傳導係數較差
氮化鋁：材料取得不易、成本較高、製程較難、熱傳導係數較佳
氮化鋁與氧化鋁導熱性比較：
陶瓷基板可靠度試驗條件：
陶瓷基板高溫操作：85℃
陶瓷基板低溫操作：-40℃
陶瓷基板冷熱衝擊：1. 155℃(15min)←→-55℃(15min)/300cycle 2. 85℃(30min)←→-40℃(30min)/RAMP：10min(12.5℃/min)/5cycle
陶瓷基板附著力：以3M#600之膠帶密貼於板面,30秒後與板面成90°方向速撕,不得脫落。
陶瓷基板紅墨水實驗：煮沸一小時，不可滲透
氮化鋁與氧化鋁導熱性比較：
三氧化二鋁(Al2O3)
氮化鋁(AlN)
陶瓷基板(Ceramic PCB , Ceramic Substrate , Ceramic circuit board)
晶片(chip)
薄膜陶瓷：COB (Chip On Board)
晶粒(Die)
薄膜製程(DPC)
蒸鍍(Evaporation)
LED載板(LED Lighting Board)
低溫共燒層陶瓷(LTCC)
絕緣層(Polymer)
厚膜製程(Thick film)
打線(Wire bonding)
濺鍍(Sputtering)
散熱基板(Submount)
